Лекция №2 Задачи и модели конструкторского проектирования кузнечно-штамповочного оборудования

Теоретические вопросы

2.1. Задачи конструкторского проектирования

2.2. Компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов

2.3. Информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ

2.1. Задачи конструкторского проектирования

Основной задачей конструкторского проектирования является реализация принципиальных схем, полученных, как уже упоминалось выше, на предшествующем ему этапе функционального проектирования. При этом выполняется проектирование отдельных деталей, компоновка узлов кузнечно-штамповочного оборудования из конструктивных элементов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования.

Одна группа задач конструкторского проектирования определяет чисто геометрические параметры конструкции, а другая группа предназначена для синтезирования компоновки (топологии) конструкции с учетом ее функциональных характеристик.

Решение этих групп задач составляет сущность геометрического и компоновочного (топологического) проектирования машин и их узлов. Кроме того, к задачам конструкторского проектирования необходимо отнести проверку (анализ) качества полученных конструкторских решений.

Геометрическое проектирование включает следующие задачи: геометрическое моделирование, геометрический синтез и оформление конструкторской и технологической документации. Геометрическое моделирование предназначено для решения позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. Элементарными геометрическими объектами, которые описываются математическими моделями, являются точка, прямая, окружность, плоскость, кривая второго порядка, цилиндр, шар, пространственная кривая и т.п.

В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Текстовая часть документации содержит: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов, технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию, спецификацию и т.д.

Графические документы – это сборочные и деталировочные чертежи, графики структурных сеток кинематических цепей, циклограммы, зависимости для выбора параметров режимов работы агрегатов и устройств, структурные, функциональные и принципиальные схемы.

Решение конструкторских задач опирается на использование структурных математических моделей. Таким образом, большинство задач проектирования по своей сути является задачами структурного синтеза.

Для анализа качества проектирования также могут применяться структурные модели и методы, характерные для функционального проектирования. Кроме того, большое число параметров функциональных моделей может быть рассчитано только после выполнения конструкторского проектирования. В этом проявляется тесная взаимосвязь подсистем функционального и конструкторского проектирования.

Для формирования моделей как конструкторского, так и функционального проектирования при его автоматизации, широко используется теория графов. Как известно, граф G=(X,A) задается множеством вершин X=(x₁, x₂, …, x_n) и ребер A=(a₁, a₂, …, a_n).

Если ребра графа имеют направления (указывают стрелками), то ребра называют дугами, а граф называют ориентированным (орграф), в противном случае это неориентированный граф (неограф). Дугу, у которой начальная и конечная вершины совпадают, называют петлей. Вершину и ребро называют инцидентными, если ребро графа проходит через его вершину. Число ребер, инцидентных какой-либо вершине, называют степенью графа в этой вершине.

Ребра, имеющие общую концевую вершину, называют смежными. Две смежных вершины имеют хотя бы одно ребро, их соединяющее. Граф, у которого имеется хотя бы одна пара вершин, соединяемых более чем одним ребром, называют мультиграфом. Если дугам графа ставятся в соответствие некоторые числа, называемые весом, длиной или стоимостью дуги, то G называют графом со взвешенными ребрами. У графа со взвешенными вершинами веса приписывают вершинам. Взвешенный граф имеет веса у вершин и дуг.

Для задания графа G=(X, A) используют матрицу смежности и матрицу инцидентности. В матрицу смежности M=|aij| входят элементы aij=1, если в графе G=(X,A) существует ребро (xi, xj), и aij=0, если такого ребра нет. Для описания взвешенного графа используется матрица расстояний D(G)=|dij|.

2.2. Компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов

В общем виде проектирование сложного изделия разделяется на этапы структурного и параметрического проектирования: на первом этапе определяется структура проектируемого объекта, а на втором этапе осуществляется расчет технических характеристик и других параметров проектируемого объекта.

При синтезе структуры объекта решаются задачи выбора возможных вариантов структуры – например, выбор кинематической схемы и компоновки кузнечно-штамповочных машин, выбор кинематической схемы и компоновки машины, связанные с оценкой возможных вариантов и выбором оптимальной структуры объекта.

Синтез структуры осуществляется по табличным, сетевым и перестановочным моделям структуры объекта. Все модели, используемые при синтезе структуры объекта, представляют собой единую систему моделей, взаимосвязанных через составы контуров объекта проектирования.

Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок. Повышение эффективности поиска новых конструктивных решений методом проб и ошибок обеспечивается применением ряда эвристических приемов, сформулированных для изобретательской деятельности, таких, как например, инверсия, аналогия, метод «мозгового штурма» и т.д.

При этом очевидно, что прямая автоматизация с помощью ЭВМ метода проб и ошибок с набором эвристических приемов невозможна, так как эти процедуры являются трудноформализуемыми. Эффективность использования метода проб и ошибок определяется интуицией, а в конечном счете – опытом конструктора.

Поэтому для компоновочного синтеза в САПР применяют главным образом приближенные алгоритмы, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные алгоритмы, относящиеся к алгоритмам, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные алгоритмы, относящиеся к алгоритмам частичного перебора, и смешанные параллельно-последовательные алгоритмы.

Главным достоинством последовательных алгоритмов является их малая трудоемкость и простота реализации. Кроме того, они позволяют легко учесть дополнительные ограничения. Основным недостатком последовательных алгоритмов является локальный пошаговый характер оптимизации, приводящий к достаточно эффективным решениям лишь для схем относительно невысокой сложности.

В параллельно-последовательных алгоритмах сначала выполняется начальное множество элементов, которые обладают существенными для данной задачи свойствами (число внешних соединений, функциональная завершенность). Далее эти элементы распределяют по узлам, что иногда позволяет получить более равномерные характеристики узлов.

Данные алгоритмы являются более сложными, чем последовательные и итерационные, и поэтому применяются в задачах со специальными требованиями. Последовательные и параллельно-последовательные алгоритмы используют для формирования базового варианта разбиения. Если его качественные показатели не удовлетворяют поставленным требованиям, то базовый вариант улучшается с помощью итерационных алгоритмов. Итерационные алгоритмы аналогичны градиентным алгоритмам параметрической оптимизации, так как на каждой итерации происходит движение в направлении экстремума целевой функции. Приращениям варьируемых переменных в данном случае соответствуют перестановки элементов (парные или групповые) между узлами. Итерационные алгоритмы обеспечивают получение решений, улучшающих характеристики базового варианта. Основным недостатком этих алгоритмов являются большие затраты машинного времени по сравнению с затратами в последовательных алгоритмах.

Рассмотренные модели и алгоритмы структурного синтеза компоновок пока еще недостаточно широко применяются при конструировании машиностроительных узлов и агрегатов, в том числе и кузнечно-штамповочных машин.

Это объясняется тем, что в отличие от задач компоновки аппаратуры электронной и вычислительной техники, для которых эти алгоритмы интенсивно развиваются, задачи компоновочного синтеза машиностроительных конструкций в большинстве своем характеризуются критериями, которые не дают количественных оценок компоновочных решений.

Это не обеспечивает уровень формализации исходной задачи структрно-компоновочного синтеза, достаточный для использования рассмотренных алгоритмов компоновки. Решить эту задачу можно на основе структурно-параметрических моделей компоновок, которые используют для оценки вариантов компоновок функциональные критерии. Наиболее полно в настоящее время можно автоматизировать процесс проектирования узлов из унифицированных элементов и деталей. В этом случае сведения по унифицированным деталям и сборочным единицам хранятся в банке данных. ЭВМ по требуемым характеристикам может выбирать детали и целые сборочные узлы.

При этом значительно упрощается формирование массивов исходных данных и выполнение вспомогательных работ, связанных с подготовкой проектной документации.

Методика синтеза математических моделей кузнечно-штамповочного оборудования объединяет в себе возможности всех перечисленных выше алгоритмов и заключается в следующем. Объект моделирования расчленяют на элементы с учетом наличия соответствующих моделей в библиотеке моделей элементов. При расчленении объекта выявляют число и характер связей между элементами.

Число и характер связей для механических объектов определяется числом и видом независимых координат, по которым взаимодействуют элементы в месте расчленения. Структура объекта представляется в виде топологии, т.е. схемы, содержащей условные обозначения элементов и их связи.

Затем описание структуры в виде топологии превращается в описание структуры на применяющемся языке описания объекта выбранного программного комплекса, дополняется списками параметров элементов, в результате чего превращается в описание объекта достаточное для выполнения моделирования его работы.

2.3. Информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ

Одной из составляющих систем автоматизированного проектирования является информационное обеспечение. Для эффективной работы САПР необходима объектно- и проблемно-ориентированная информационная среда – конструкторская и технологическая базы данных, содержащие в компьютерных файлах “золотой запас” достижений автоматизированного проектирования и производства, в данном случае, кузнечно-прес­совых машин. Современные требования к разработке и архитектуре конструкторской базы данных, системе управления, обработке транзакций и т.п. обобщены в работе.

Технологическая база данных интегрируется в единую систему с конструкторской, и включает всю информацию, необходимую для изготовления деталей, узлов и пресса в целом. Все данные должны быть представлены по возможности полностью в главном файле интегрированной системы и автоматически корректироваться в связи с изменениями конструкций или маршрутно-технологических карт.

В содержании банков данных можно выделить информацию, которая меняется незначительно, и переменную информацию. Постоянно хранимая информация содержит справочные данные, например, ГОСТы, нормали, параметры унифицированных узлов и элементов, типовые конструкторские решения и т.д. Эта часть информации обновляется лишь при изменении соответствующих справочных данных.

Переменная часть информации связана с оборудованием, находящимся в процессе проектирования. На каждом этапе проектирования данная информация обновляется, пополняется и уточняется, и на последнем этапе ее используют для подготовки проектной документации.

Отдельные банки данных для обеспечения согласованного взаимодействия программ автоматизированного проектирования объединяются в базу данных. Организация базы данных должна предусматривать одновременное использование банков данных в различных программах. В этом случае банки данных сопрягаются между собой с помощью специальных программных интерфейсов. Задачей таких интерфейсов является переработка информационных структур одного банка в форматы и структуры другого банка данных. При организации банков данных используют различные структуры. Основными типами структур являются последовательная, списковая, древовидная, сетевая и реляционная. Для каждого типа структуры данных разработаны методы поиска информации. Последовательные структуры данных (массивы) характеризуются тем, что логический порядок элементов информации в них совпадает с физическим порядком расположения элементов. Элементами последовательной структуры данных являются записи. Записи организуются в массивы и характеризуются ключевым признаком. Последовательные структуры данных могут быть упорядоченными и неупорядоченными по значению ключевого признака, имя которого одинаково для всех записей. Чтобы задать последовательную структуру данных, необходимо указать адрес первой записи, длину записи и адрес последней записи.

Для изменения данных можно производить следующие операции: добавление, исключение и замена. Для вставки новой информации необходим сдвиг записей. Исключение может производиться без сдвига записей, но тогда появляются свободные участки памяти. Замена осуществляется при переорганизации массива. Списковые структуры данных строятся по следующим правилам: элементом списка более сложной структуры является список более простой структуры, являющийся подсписком исходного списка. Для задания списковой структуры необходимо задать указатель списка, в котором содержится адрес расположения первого элемента списка и указатели элементов. Основными преимуществами списковой структуры данных является гибкость и высокая производительность изменения данных. Древовидные структуры данных организуются по следующим правилам: на первом уровне расположена только одна запись (корень дерева), к любой записи каждого уровня ведет адрес связи только от одной записи предыдущего уровня. Если эти условия нарушаются, получается сетевая структура данных. Записи последующего уровня, адресованные записями предыдущего уровня, образуют группу. Максимальное число записей в группе называют порядком дерева.

База данных САПР механических прессов. База данных рассматриваемой САПР обеспечивает подготовку и хранение информации о механических свойствах применяемых конструкционных материалов. Основной для создания конструкций узлов кузнечно-штамповочного оборудования, является конструктивная преемственность, т.е. использование предшествующего опыта. Каждая современная машина в той или иной степени является результатом работы конструкторов нескольких поколений. Основой формирования проектных гипотез обычно служит базовая модель, т.е. действующий образец конструкции машины или ее отдельного узла, данные о которых хранятся в специализированной базе данных.

Все данные структурированы и хранятся в отдельном файле «База данных.xls». База данных содержит следующую информацию:

1. механические свойства наиболее применяемых для изготовления деталей различных типов механических прессов марок конструкционных сталей, стального, чугунного и бронзового литья:

- предел прочности при растяжении _b;

- предел текучести при растяжении _T;

- предел выносливости

- при изгибе _;

- при кручении _;

- при растяжении–сжатии _-1p;

2. коэффициент пульсирующего цикла

- при изгибе _

- при кручении _

3. величины суммарных коэффициентов влияния на предел выносливости;

4. эффективные коэффициенты напряжений,

5. коэффициенты влияния абсолютных размеров поперечного сечения и состояния поверхности на выносливость и характеристики, необходимые для расчета деталей прессов на прочность и выносливость.

Кроме этого, база данных так же содержит следующие характеристики:

1. модуль упругости;

2. коэффициент Пуассона;

3. модуль сдвига;

4. плотность;

5. коэффициент температурного расширения;

6. коэффициент теплопроводности;

7. удельная теплоемкость.

Для изготовления деталей механических прессов используются углеродистые стали по ГОСТ 380-71, углеродистые качественные стали по ГОСТ 1050-60, легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543-71, стали для отливок по ГОСТ 977-65 и ГОСТ 7832-65 и рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959-69. Величины перечисленных характеристик играют определяющую роль при выполнении расчетов на прочность по допускаемым значениям, на основании чего автоматически делается вывод о работоспособности спроектированной сборочной единицы. Внутренней базой данных в Excel являются списки. Списки практически ничем не отличаются от того, с чем пользователь обычно имеет дело, работая в Excel: здесь информация также сохраняется в строках и столбцах.Согласно терминологии, принятой в базах данных, понятие поле эквивалентно принятому в Excel понятию столбец.

Процедура доступа к данным, хранящихся в базе данных осуществляется с помощью стандартной процедуры табличного процессора Microsoft Excel – ВЫБОР, которая с помощью элемента управления «Поле со списком» панели «Формы». При осуществлении фильтрации списка согласно установленному критерию или правилам часть его данных оказываются “спрятанными” (на экране их не видно). Для организации данных можно воспользоваться имеющимися в Excel инструментами сортировки. В зависимости от типа данных, Excel может задать ряд вопросов с тем, чтобы определить, по какому принципу необходимо сортировать эти данные. В отличии от фильтрации данных, операция сортировки не приводит к скрытию данных. Можно видеть те же данные, но в другом порядке.

Вопросы для самоподготовки:

1. В чем заключаются задачи конструкторского проектирования

2. На каких принципах основан компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов?

3. Опишите информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ?